風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱軸承故障診斷分析
2024-01-02 10:49:16
在風(fēng)力發(fā)電機組的傳動系統(tǒng)中，齒輪箱是一個重要的部件，軸承是直接決定齒輪箱能否正常工作的關(guān)鍵設(shè)備，由于軸承長期處于滾動狀態(tài)，會發(fā)生故障，導(dǎo)致發(fā)電機無法正常運行，嚴重時會大大影響電網(wǎng)的使用壽命。本文重點分析了風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱軸承的故障診斷，為解決齒輪軸承故障的方法提供了參考。
齒輪箱中的軸承具有傳遞運動、扭矩和速度變化的功能，軸承一旦發(fā)生故障，將嚴重影響變速箱的正常使用，60%的齒輪故障是由齒輪故障引起的，在這個階段，當診斷齒輪箱的故障時，使用振動方法、油分析方法和混沌系統(tǒng)，當變速箱進入運行狀態(tài)時，變速箱中的部件，包括軸、齒輪、軸承和其他部件，都將處于振動狀態(tài)，受振動影響，軸承表面會出現(xiàn)點蝕，或因高溫、軸表面磨損等原因?qū)е螺S承失效，嚴重影響發(fā)電機組的正常運行。
一、齒輪箱故障分析方法
當變速箱出現(xiàn)故障時，需要工作人員進行全面分析，主要分析齒輪齒形誤差、箱體共振、軸承點蝕、高溫、軸面磨損、轉(zhuǎn)軸彎曲等。通過深入了解變速箱的故障特征，工作人員應(yīng)按照故障分析標準，使用加速度時域分析、頻域分析等方法，收集變速箱在振動下發(fā)出的信號，以齒輪箱的平均振動能量和時域峰值等參數(shù)為研究對象，判斷齒輪箱的整體振動。采用速度時域分析方法，對齒輪箱的平均振動能量、時域信號峰值等參數(shù)進行診斷，以確定齒輪箱故障的原因，頻譜分析法是檢測齒輪箱振動時齒輪外圈的嚙合頻率、加速度信號和固有頻率，從而找出齒輪箱故障的原因。目前，齒輪箱的故障分析通常是在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中進行的，為了獲得更準確的故障分析數(shù)據(jù)，通常會檢測齒輪的癥狀狀態(tài)，并真實反映齒輪故障的位置和影響范圍，為工作人員提供必要的參考，從而采取有針對性的措施解決齒輪箱的故障。
二、風(fēng)力發(fā)電機驅(qū)動系統(tǒng)典型故障的診斷
1、風(fēng)機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)診斷
目前，發(fā)電機和機械傳動系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機組系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著穩(wěn)定發(fā)電機組正常運行的功能，在風(fēng)力渦輪機中，齒輪箱、發(fā)電機和軸承在振動條件下會經(jīng)常發(fā)生故障，尤其是容易發(fā)生點蝕、軸表面磨損和其他故障的軸承。在高溫環(huán)境下，齒輪的使用壽命會縮短，此外，作為風(fēng)力發(fā)電機提供動能的關(guān)鍵設(shè)備，齒輪箱、軸承、聯(lián)軸器等部件都會受到不同程度的載荷影響，容易導(dǎo)致傳動系統(tǒng)在不同載荷下發(fā)生故障。
在風(fēng)力發(fā)電機組的運行狀態(tài)下，在驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動下，風(fēng)能被轉(zhuǎn)化為機械能，然后機械能被輸送到發(fā)電機，最終產(chǎn)生電能，傳動系統(tǒng)主要由主軸、聯(lián)軸器、高速軸等裝置組成，每個裝置都有不同的結(jié)構(gòu)，在運行條件下軸承故障的位置、影響范圍和性質(zhì)也不同。主軸是連接風(fēng)輪和齒輪箱的關(guān)鍵裝置，當風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時，能量通過扭矩的變化傳遞到齒輪箱，在齒輪箱的驅(qū)動下，產(chǎn)生的軸向力會作用在其他裝置上。聯(lián)軸器是將兩個不同設(shè)備相互連接的部件，當聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)時，它將驅(qū)動另外兩個裝置一起旋轉(zhuǎn)，在不同運動狀態(tài)下產(chǎn)生的動力要求聯(lián)軸器具有緩沖和阻尼等功能。聯(lián)軸器通常由一根主動軸和一根從動軸組成，高速軸是連接增速齒輪箱和發(fā)電機的裝置，高速軸保持在高速狀態(tài)，可以驅(qū)動發(fā)電機高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能。
2、風(fēng)力發(fā)電機組傳動機構(gòu)典型故障診斷
將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能通常需要風(fēng)力渦輪機在全年強風(fēng)等惡劣環(huán)境中運行，設(shè)計風(fēng)力渦輪機時，最低溫度設(shè)定為-20°C，然而，許多地區(qū)的最低溫度將低至-40°C，風(fēng)力渦輪機還需要承受強風(fēng)，這將增加機組的負荷，很容易導(dǎo)致傳動系統(tǒng)故障，特別是在機械傳動裝置中，軸承會出現(xiàn)點蝕或軸表面磨損等故障，如果工作人員未能及時解決故障或未能更換故障部件，故障范圍將繼續(xù)擴大，最終導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機組損壞。
3、變速箱故障診斷
齒輪、滾動軸承和軸等零件是變速箱的重要部件，在分析齒輪、滾動軸承和軸的故障時，通常使用振動信號的頻率特性和故障特性來確定齒輪箱故障的原因，在風(fēng)力渦輪機的運行過程中，它通常保持相對較高的速度，一旦發(fā)生故障，變速箱中的零件將發(fā)出噪音，并伴有不規(guī)則的振動，工作人員在檢測振動信號產(chǎn)生的時域、頻域和振幅時，會得到大量的故障數(shù)據(jù)，最明顯的是齒輪故障和滾動軸承故障數(shù)據(jù)，一旦風(fēng)機的運行速度增加，就會出現(xiàn)上述故障。
風(fēng)力渦輪機通常安裝在風(fēng)大的環(huán)境中，通常安裝在荒野和島嶼等惡劣地區(qū)，風(fēng)產(chǎn)生的負載具有不規(guī)則的特性，并會在瞬間對風(fēng)力渦輪機產(chǎn)生強烈影響，從而可能導(dǎo)致風(fēng)力渦輪機出現(xiàn)故障，目前，風(fēng)力渦輪發(fā)電機的最高速度可以高達每分鐘1500轉(zhuǎn)，在長期高速運行過程中，變速箱會產(chǎn)生高溫和熱量，同時，在負載的作用下，會導(dǎo)致變速箱發(fā)生故障。目前齒輪箱常見故障有局部故障和分布故障，局部故障包括齒輪損傷、彎曲疲勞等，分布故障分為齒面磨損和軸承損傷。失敗的形式包括以下幾種，一是齒輪斷裂。齒輪受到周期性應(yīng)力后，根部會出現(xiàn)裂紋，經(jīng)過長期載荷后，齒輪會斷齒；二是齒輪齒面疲勞，齒輪箱在運動時，受到機械力學(xué)的影響，產(chǎn)生的力會使齒輪相對滑動，但齒面出現(xiàn)點蝕、破壞性點蝕和表面擠壓，齒輪的齒面出現(xiàn)疲勞狀態(tài)，故障狀態(tài)表現(xiàn)為振動信號的嚙合頻率、振動能量的增加、能量振幅的增加；三是齒輪膠合，齒輪承受高速重載后，齒輪箱處于高溫狀態(tài)，此時，齒面受到高溫高壓的影響，齒面會磨損，當齒輪相對滑動時，齒面潤滑不足，導(dǎo)致齒面膠合失效。
4、轉(zhuǎn)子錯位故障診斷
風(fēng)力渦輪機作為一種大型機械設(shè)備，通常放置在離地面幾十米的空中，并受到風(fēng)的影響，安裝體積龐大的發(fā)電機組很困難，也無法確保轉(zhuǎn)子的準確對中，如果轉(zhuǎn)子不能保持在對中狀態(tài)，此時，在發(fā)電機組的長期運行中，在風(fēng)和高溫的共同影響下，齒輪箱中的阻尼器會變形，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和軸承無法保持對中狀態(tài)，此時，電站機組會不規(guī)則地振動，導(dǎo)致前后旋轉(zhuǎn)裝置的軸線無法保持同一直線狀態(tài)，從而導(dǎo)致軸承失效。除了安裝困難之外，轉(zhuǎn)子的錯位還有以下原因，一是處于運動狀態(tài)的轉(zhuǎn)子會因該變量的變化而發(fā)生變化，導(dǎo)致從動轉(zhuǎn)子和主動轉(zhuǎn)子之間存在差異；二是軸承轉(zhuǎn)子的軸承殼體的不同膨脹；三是套管的變形或位移；四是發(fā)電機所在地基的不均勻沉降；五是轉(zhuǎn)子彎曲，觸發(fā)機組發(fā)生不平衡旋轉(zhuǎn)。
5、滾動軸承故障診斷
在傳動系統(tǒng)中，滾動軸承是一個重要的裝置，滾動軸承通常由內(nèi)圈、外圈、滾動元件和保持架組成，發(fā)電機組中滾動軸承的配置是為了利用滾動軸承的高效率、易于潤滑和低摩擦阻力。但是，在使用滾動軸承的過程中，會有更大的噪音，同時，它們無法承受更大的沖擊，如果滾動軸承發(fā)生故障，很容易對發(fā)電機組造成大面積損壞。在滾動軸承故障分析中，主要故障特征分為以下幾個方面，一是軸承內(nèi)圈有剝落或點蝕現(xiàn)象，利用頻譜來檢測內(nèi)環(huán)，會有更明顯的諧波變化；二是外圈有剝落或點蝕現(xiàn)象，利用頻譜進行檢測，故障具有無變頻、無調(diào)幅的特點；三是當滾動元件剝落或凹陷時，故障部位會有明顯的調(diào)制峰群特征；四是保持架變形，使用頻譜來檢測并發(fā)現(xiàn)籠具有特征頻率和諧波。此外，滾動軸承的失效形式分為以下幾種，即疲勞剝落失效、磨損失效、裂紋和斷裂失效以及壓痕失效。
三、結(jié)論
總之，當風(fēng)力發(fā)電機發(fā)生故障時，有必要從科學(xué)的角度確定風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)故障的原因，一旦風(fēng)力發(fā)電機發(fā)生故障，工作人員應(yīng)對發(fā)電機中的傳統(tǒng)系統(tǒng)進行全面分析，并逐一調(diào)查系統(tǒng)中不同設(shè)備的故障因素。然而，受故障診斷條件的影響，對發(fā)電機組中齒輪箱軸承的故障模擬分析只能采用理論依據(jù)和測試方法，還沒有通過在線測試方法獲得準確的數(shù)據(jù)，在分析齒輪箱軸承故障時，應(yīng)使用復(fù)合故障診斷和混合智能故障診斷等技術(shù)作為檢測故障的方法，這將有助于提高檢測效率，高效處理軸承故障。